Platz-Modellierung und Abrechnung mit BIM – von 3D bis 5D

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Abb 1: Erwartetes Zusatzwachstum durch BIM (verändert nach pwc 2018). Abbildung: Brückner

Die ideale BIM-Software für die Landschaftsarchitektur lässt noch auf sich warten. Was bereits machbar ist, nicht nur bei der 3D-Modellierung, sondern auch bei der anschließenden 5D-Massen- und Kostenermittlung, das wurde anhand eines Projektes „Platz“ getestet. Dabei konnten wesentliche Anforderungen an eine BIM-Planung bereits erfüllt werden.

Der Einsatz von BIM (Building Information Modeling, siehe Glossar) hat das Ziel, die Planungs- und
Bauprozesse zu verbessern. Es soll eine höhere Produktivität der gesamten Wertschöpfungskette des Planens, Bauens und Betreibens erreicht werden. Nach aktuellen Studien erwarten befragte Unternehmen,
dass sich das durchschnittliche jährliche Wachstum durch den Einsatz von BIM verdoppeln ließe (Abb. 1, pwc 2018). Die Erstellung eines 3D-BIM-Modells ist also kein Selbstzweck, sondern es muss ein klar erkennbarer Mehrwert damit verbunden sein. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn Visualisierungen gefordert sind, die sich damit ohne erheblichen Zusatzaufwand ableiten lassen. Ein echter Gewinn entsteht, wenn das entwickelte Modell im Projektverlauf weiterverwendet wird.

Ein wesentlicher Vorteil der BIM-Methode wird darin gesehen, dass die Abstimmungsprozesse zwischen den verschiedenen Gewerken optimiert werden können. Der übliche Workflow verläuft so, dass die Fachplanungen in einem 3D-Modell, dem sogenannten Koordinierungsmodell, zusammengeführt werden. Das erfolgt über die IFC-Schnittstelle (Industry Foundation Classes), die ausschließlich auf 3D-Bauteile aufsetzt. Das heißt, übliche 2D-CAD-Pläne können nicht in ein BIM-Koordinierungsmodell überführt werden.

Abb. 2: BIM 2D bis 7D – im Beitrag betrachtet: 3D-Modell und 5D-Kosten. Abbildung: Brückner

Tab 1: Bewertung der Modellierungstools in Revit für befestigte Flächen.

Bei der Erstellung des 3D-Modells sind zunächst die Planenden gefordert. In den anschließenden Leistungsphasen wird es jedoch auch für den Landschaftsbau interessant, wenn das vorhandene 3D-Modell für die Ausschreibung und Kostenschätzung (5D – siehe Abb. 2) oder sogar als Datenbasis für das Grünflächenmanagement genutzt werden kann. Dieser BIM-Ansatz ist relevant, da gerade in der Phase des Betreibens bei Freianlagen hohe Kosten anfallen.

Inzwischen liegen die Erfahrungen aus ersten BIM-Pilotprojekten des Hochbaus vor, die als Teil der Förderinitiative des Bundes „Mittelstand Digital“ durchgeführt wurden. Sie sind im BIMiD-Leitfaden zusammengefasst. Demnach muss eine BIM-Planungssoftware zur Erstellung der BIM-Fachmodelle grundsätzlich folgende Funktionalitäten bieten:

  • Erstellung von Bauteilen (Modellelemente) als dreidimensionale parametrisierbare Objekte sowie deren Verknüpfung mit alpha-numerischen Informationen und ihre Zuordnung zu logischen Strukturen (z. B. Geländeoberfläche, im Hochbau i. d. R. Geschosse)
  • Planableitungen und Bauteillisten zur Mengenermittlung aus dem Modell
  • Schnittstellen für den modellbasierten Datenaustausch

Was ist machbar?

Der Fokus liegt darauf zu zeigen, was heute schon machbar ist. Ziel ist es, anhand eines Beispielprojekts zur Umgestaltung des Klosterplatz Bielefeld auf Basis vorliegender 2D-Entwurfs- und Ausführungspläne ein 3D-
Modell aufzubauen und daraus die Daten für Kostenschätzung und Ausschreibung abzuleiten.

Für eine Platzgestaltung sind die folgenden Modellelemente erforderlich:

  • befestigte Flächen und Einfassungen
  • Entwässerungseinrichtungen und -leitungen
  • Mauern, Treppen und Rampen
  • Ausstattungsobjekte – Pflanzen und Außenmöblierung

Anforderungen an Bauteile

Beim Erstellen der Bauteile sind technische Anforderungen einzuhalten, die sich aus den technischen Regelwerken, dem Stand der Technik und gegebenenfalls weiteren Richtlinien ergeben. Eine BIM-Software für die Landschaftsarchitektur muss Tools zur Verfügung stellen, mit denen befestigte Flächen und andere Bauteile den technischen Anforderungen entsprechend effizient modelliert werden können. Dieser Zusammenhang wird mit Hilfe eines Ablaufdiagramms verdeutlicht, das technische Anforderungen und Anforderungen an die zu verwendende Software zueinander in Beziehung setzt.

Die Abb. 3 zeigt das Vorgehen beispielhaft für befestigte Flächen. Die Art der Nutzung und die damit verbundene Belastung bedingen die einzuhaltende Bauweise nach FLL-ZTV-Wegebau (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen) oder RStO (Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen). Im weiteren Verlauf sind Bodenbeläge und Verlegemuster für die Entwurfsplanung
auszuwählen. Nach der Entscheidung, ob eine Frostschutzschicht erforderlich ist, werden Trag- und Ausgleichsschicht für die Ausführungsplanung definiert. Hieraus ergeben sich die Anforderungen an die Softwaretools in Bezug auf die Modellierung der befestigten Fläche sowie die Ausgabe von Informationen für
Ausschreibung und Kostenschätzung. Erforderlich sind flexible Modellierungstools, die auch komplexe geometrische Formen wie zum Beispiel unregelmäßigen Vielecke oder Bereiche mit Rundungen abbilden können. Weiterhin muss es möglich sein, sowohl Definitionspunkten der Begrenzungslinien als auch im Platzinnenbereich unterschiedliche Höhen zuzuweisen.

Wege und Plätze bestehen in der Regel aus mehreren Schichten. Der modulierte Volumenkörper muss daher folgende Informationen beinhalten:

  • Schichtaufbau, Schichtstärke und Materialien der einzelnen Schichten
  • Texturen für das Deckschichtmaterial (3D-Visualisierung/Rendering)
  • Schraffuren für eine 2D-Schnittdarstellung

Für die Kostenschätzung und das Angebot ist die Ausgabe folgender Angaben wichtig:

  • Flächengröße der Deckschicht
  • Schichtstärken
  • Volumina der einzelnen Schichten

Analog zu diesem Vorgehen wurden Ablaufdiagramme für alle aufgeführten Platz-Bauteile erstellt. Hierdurch lassen sich die – relativ komplexen – Zusammenhänge auf einen Blick erfassen.

Abb. 3: Anforderungen an die Modellierung befestigter Flächen mit BIM. Abbildung: Brückner

Abb. 4: Mauerscheiben als benutzereigene parametrisierbare Bauteile (LOD Ausführungsplanung). Abbildung: Brückner

3D-Modell „Platz“

Modellierungssoftware werden zurzeit am ehesten durch die im Hochbau etablierten BIM-CAD-Tools erfüllt. Hier wurde für die Bearbeitung die Software Autodesk Revit gewählt. Revit stellt die im Hochbau erforderlichen Bauteile wie Wände, Decken und Treppen etc. zur Verfügung. Die Frage ist, inwieweit vorhandene Tools auch für die Landschaftsarchitektur geeignet sind. Hierzu wurden auf Basis der formulierten Anforderungsprofile in Frage kommende Tools verglichen und bewertet (siehe Tab.1). Das im Hochbau für Geschossdecken genutzte IFC-Objekt „IfcSlab“ ist auch für die Modellierung befestigter Flächen im Außenbereich geeignet, da es Decken mit unterschiedlichen Höhenpunkten und Schichtaufbauten ermöglicht. Für Bauteile wie Kantensteine, Stützmauern etc. gibt es bisher keine IFC-Klassen. Grundsätzlich lassen sich aber alle Elemente als Sonderbauteile (IfcProxy) mit frei definierbaren Benutzer-Eigenschaften (Custom Psets) definieren. Vergleichbar ist das mit der Erstellung von (2D-) Bibliotheken auf der Basis von Blöcken in der herkömmlichen CAD.

Bei der Erstellung von Bauteilen und deren Verwendung im BIM-Prozess ist außerdem der erforderliche Detaillierungsgrad in den verschiedenen Leistungsphasen von Bedeutung. Diese ergeben sich aus den Anforderungen der Auftraggebenden und sind in den sogenannten AIAs (Auftraggeber-Informationsanforderungen) als Bestandteil des Vertrages zu definieren. Die Detaillierung wird meistens nach US-Vorbild mit den 5 Level of Detail (LOD 100 Vorentwurf bis LOD 500 Facility Management) beschrieben. Dabei wird sowohl die Genauigkeit der Geometrie (LOG) als auch der Informationen (LOI) definiert. Das erscheint für die Praxis momentan zu differenziert, sodass die Bauteile in 2 LOD-Stufen (LOD Entwurf, LOD Ausführungsplanung) erstellt wurden. Dieses Verfahren wird auch im Hochbau oft praktiziert. Üblich sind hier häufig Darstellungsgenauigkeiten im 3D-Modell bis zum Maßstab 1:50, während Details nach wie vor in 2D erstellt werden. Die Bundesarchitektenkammer fordert eine Orientierung an der HOAI und berücksichtigt, dass Detailplanungen als 2D-zeichnerische Ergänzungen zum digitalen Modell erstellt werden können. Die Nutzung zur Verfügung stehender BIM-Software für Projekte in der Landschaftsarchitektur erfordert viel Handarbeit zum Beispiel beim Aufbau geeigneter Bauteilbibliotheken. Im Beispielprojekt wurden parametrisierbare Bauteile (in Revit sogenannte „Familien“) für eine Stützmauer erstellt. Das heißt, alle in Abb. 4 verwendeten Mauerscheiben und Eckelemente mit individuellen Abmessungen lassen sich aus einem „Prototyp“ benutzerfreundlich ableiten.

Kollisionsprüfung und Export nach IFC

3D-BIM-Modelle ermöglichen Kollisionsprüfungen. Mit Hilfe eines Modelcheckers kann die Konsistenz der eigenen Planung überprüft werden und anschließend die Planabstimmung zwischen den Gewerken stattfinden. Im vorliegenden Beispiel wurden Überschneidungen der Mauerscheiben-Volumina mit den Pflasterschichten aufgespürt, die anschließend durch Modellierung der Auskofferungen beseitigt wurden. Es wurde das Autodesk-eigene Werkzeug Naviswork Manage verwendet. So konnte auf eine weitere Spezialsoftware – wie beispielsweise das in der Praxis verbreitete Solibri verzichtet werden. Abschließend wurde das erstellte 3D-Modell des Platzes aus dem Revit-eigenen Datenformat in das softwareunabhängige IFC-Format exportiert, im IFC-Viewer geöffnet und überprüft (KIT 2018). Alle Modellelemente waren sowohl in ihren Geometrien als auch den angehängten Sachinformationen vollständig vorhanden, sodass das erstellte 3D-Modell als Bestandteil eines BIM-Kooperationsmodells auch für die weitere Planabstimmung mit anderen Gewerken geeignet wäre.

Fazit 3D

Die Abb. 5 zeigt als Ergebnis das 3D-Modell des Platzes.

  • Es ist gelungen, alle erforderlichen Bauteile zu erstellen. 2D-Schnitte und Ansichten lassen sich aus dem 3D-Modell ableiten und werden bei Änderungen automatisch nachgeführt (Abb. 6).
  • Das Modell ist für Visualisierungen und Schattenanalysen nutzbar.
  • Der Export über die IFC-Schnittstelle ist geglückt.

Damit sind bereits wesentliche Anforderungen an eine BIM-Planung erfüllt.

Abb. 5: 3D-Modell „Platz“ mit Bauteileigenschaften Pflaster und Materialliste. Abbildung: Brückner

Abb. 6: Aus dem 3D-Modell „Platz“ abgeleitete Draufsicht und Schnitte. Abbildung: Brückner

5D – Ausschreibung und Kostenermittlung

Ein Ziel der BIM-Bearbeitung ist die mengenkorrekte Ableitung der Ausschreibungsunterlagen. Erforderliche Massen lassen sich aus dem 3D-Modell durch Abfragen und Filter ermitteln und in Listen zusammenstellen (Abb. 5). Eine händische Auswertung wird damit überflüssig. Die generierten Listen sind zum Beispiel als Excel-Datei auslesbar. Für die Ausgabe nach GAEB braucht man in Revit zusätzliche Tools, die verschiedene Software-Anbieter zur Verfügung stellen. Alternativ ermöglichen AVA-Hersteller wie ORCA und andere den Import von IFC-Modellen und die Zuordnung von Leistungstexten, visuell unterstützt mit einem 3D-Viewer.

Eine besonders komfortable Lösung ist die App DBD-BIM von Dr. Schiller und Partner, die anhand des Beispielprojektes getestet wurde. Es handelt sich um eine Online-Lösung, die in die CAD-Software eingebunden wird. Sie bietet die Möglichkeit, den Bauteilen Standardleistungstexte und Einheitspreise zuzuordnen. Dieses basiert auf dem Klassifikations- und Beschreibungssystem DIN SPEC 91400, mit dem BIM-Datenmodelle inhaltlich kompatibel zum Ausschreibungssystem STLB-Bau und zum IFC-Standard mit Daten gefüllt werden können.

Bei der Bemusterung werden einzelne Elemente oder Gruppen gleicher Bauteile ausgewählt und durch Eigenschaften beschrieben, die die App in Auswahllisten zur Verfügung stellt. Neben konstruktiven und technischen Bauteilen steht explizit die Gruppe der Bauteile für Außenanlagen zur Verfügung (Abb. 7). Passend zu den festgelegten Bauteileigenschaften erstellt DBD-BIM ein detailliertes Leistungsverzeichnis auf der Basis von Kurztexten und weist regionale Einheitspreise unter Angabe des Zeitansatzes und der Kostenanteile aus. Auch die Anpassung an eigene Kostenwerte ist möglich. Die im Ergebnis generierten Listen lassen sich nach Leistungsbereichen oder nach DIN 276 gruppieren. Besonders hilfreich ist, dass auch eine Übersicht der noch unbemusterten Elemente ausgegeben wird, sodass sofort ersichtlich ist, wo noch Handlungsbedarf besteht (Abb. 8). Alle Bauteileigenschaften werden im Modell gespeichert. Bei nachträgliche Änderungen werden Massen automatisch aktualisiert. Zur Übergabe in die AVA dient die GAEB-Schnitt- stelle. Weiterhin ist der Datentransport nach Excel und IFC möglich.

Fazit 5D

Solange verwendete Bauteile der IFC-Logik entsprechen, funktioniert die Leistungszuweisung und Kostenermittlung mit Hilfe der DBD-BIM App weitestgehend automatisch und reibungslos. Nach Einlesen der GAEB-Datei in eine AVA wird der zugehörige Langtest automatisch ergänzt.

Im Fall von befestigten Flächen, Pflanzen und sonstigen Modellobjekten der Landschaftsarchitektur, für die noch keine IFC-Klassifikationen existieren, ist dieser Automatismus nicht möglich. Das heißt, die 3D-Elemente werden ausgewählt und dann den zugehörigen Bauteilen der DBD-BIM Struktur von Hand zugeordnet. Deutlich wird auch die Bedeutung einer richtigen 3D-Modellierung für eine effiziente Massenermittlung. Probleme gibt es zum Beispiel wenn Umgrenzungen wie Bordsteine mit Einzelbausteinen modelliert werden, die in Stück gezählt werden, die erforderliche Einheit für die Leistungstexte jedoch „m“ ist. Wünschenswert ist weiterhin, dass in einer zukünftigen Version der DBD-BIM App auch Übermessungen berücksichtigt werden (wie dies im Fall von Fensteröffnungen in Wänden schon verwirklicht ist). Am Beispiel der STLB-Anbindung wird die Leistungsfähigkeit des Datenbankkonzepts von BIM deutlich. Prinzipiell ließen sich beliebig viele weitere Informationen anbinden. DBD-BIM verknüpft zum Beispiel relevante DIN-Normen und VDI-Richtlinien, die dann passgenau im Planungsprozess zur Verfügung stehen. Denkbar wäre zum Beispiel auch die Anbindung der Pflanzenlisten von Baumschulen und Staudenproduzenten.

Die nächsten Schritte …

Das skizzierte Beispiel umfasst natürlich nur einen kleinen Ausschnitt landschaftsarchitektonischer Planungsleistungen. Diese sind zurzeit nicht mit einer einzelnen Software abbildbar: Branchenspezifische CAD-Software hat Defizite bei den grundlegenden BIM-Funktionalitäten, Infrastruktur-Software ist nicht geeignet für die Konstruktion, Software für den Hochbau hat nur eingeschränkte Funktionen für Gelände. Jedoch stehen auch andere Gewerke vor der Aufgabe, hier Lösungen zu finden. Beispielhaft ist das Vorgehen
im Straßenbau. Brücken werden als Sonderbauteile in Hochbau-Software erstellt und über IFC in eine Tiefbau-Software übergeben, wo sie in das Gelände und die Straßenplanung integriert werden. Auch für die Einbindung in GIS gibt es bereits Schnittstellen, wie zum Beispiel im Pilotprojekt A99 des BIM-Stufenplans getestet.

Abb. 7: Bemusterung in DBD-BIM am Beispiel von Pflanzen. Abbildung: Brückner

Abb. 8: Kostenermittlung in DBD-BIM mit Kontrollmöglichkeit für unbemusterte Elemente. Abbildung: Brückner

Die softwareunabhängig formulierten Anforderungsprofile zur Modellierung landschaftsarchitekturspezifischer Bauteile in BIM dienen hier zur Auswahl geeigneter Modellierungs-Tools sowie als Richtschnur für die Erstellung des Platz-Modells. Auch bei der mit Softwareherstellern zu führenden Diskussion um notwendige Neu- und Weiterentwicklungen von BIM-Tools können sie helfen. Sie bieten sich jedoch vor allem als Grundlage für die Entwicklung von BIM-Standards für Landschaftsarchitektur-Bauteile an. Die Weiterentwicklung des IFC-Standards folgt im Ablauf der DIN 29481. Es werden sogenannte IDMs (Information Delivery Manuals, also Handbücher für den Informationsaustausch) erstellt. In der buildingSmart-Fachgruppe „BIM in der Landschaftsarchitektur“ sind zurzeit „IDM Pflanze“ sowie „IDM Platz“ in der Diskussion. Auch in der Gruppe der Produkthersteller für die grüne Branche wird die Notwendigkeit der Auseinandersetzung mit BIM
gesehen und es wird diskutiert, wie Bauteile mit zugehörigen Sachinformationen zu definieren sind.

Häufig ist zurzeit nicht geklärt, welche Informationen Landschaftsarchitekten im BIM-Prozess zu liefern haben. Für den Hoch- und Tiefbau wurden hierfür komplexe „Prozesslandkarten“ entwickelt (Wer liefert was, wann, an wen, in welcher Tiefe?), die auch als Gerüst zur Formulierung von Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA) dienen. Auf dieser Basis wurde bereits der Prototyp eines „Referenzprozess BIM für Freianlagen“ erstellt, der die Basis liefern könnte für Muster-AIA, die BIM Leistungen unter Berücksichtigung des Machbaren aus Sicht der Landschaftsarchitektur beschreiben. Zielführend wären außerdem Pilotprojekte unter Beteiligung von Landschaftsarchitekten, um weiteres Know-How aufzubauen.

Glossar

Auftraggeber-Informationsanforderungen, AIA

Informationsbedarf des Auftraggebers, der als Anforderung an den Auftragnehmer beschrieben wird. Die AIA definieren, wann, in welchem geometrischen und alphanumerischen Detaillierungsgrad, in welchem Format, für welchen BIM-Anwendungsfall und von welchem Planer die geforderten Daten geliefert werden sollen, um die Ziele des Auftraggebers zu erreichen.

BIM, Building Information Modeling (alternativ: Building Information Management)

Es gibt keine verlässliche, bgestimmte Definition. Es ist wichtig, sich immer das „I“ als zentrales Element von BIM zu vergegenwärtigen. Auch der Teilaspekt „Modeling“ stammt aus der IT und impliziert den Umgang mit großen Daten- und Informationsmengen. Viele Anwender dürften sich auf folgende Definition einigen können: BIM ist eine Managementmethode für modellbasierte, digitale und interdisziplinäre Planungs- und Kollaborationsprozesse in Bau- und Immobilienprojekten.

IFC, Industry Foundation Classes

Hersteller- und länderüber greifende Schnittstelle für den modellbasierten BIM-Datenaustausch. buildingSMART International entwickelt und etabliert IFC als offenen Standard für das Bauwesen seit 1995. IFC ist als EN ISO 16739 registriert. Derzeit wird die Version IFC2x3 genutzt. Gleichzeitig erfolgt die Implementierung der Version IFC4.

Information Delivery Manual (IDM)

ist die Methode zur Definition der Anforderungen für den Datenaustausch im konkreten Anwendungsfall, die als DIN EN ISO 29481 vorliegt.

LOD – Level of Detail (oder: Level of Development)

bezeichnet den Detaillierungsgrad der Modellelemente (dt.: Fertigstellungsgrad). Da die Unterscheidung zwischen geometrischen und alphanumerischen Detaillierungsgraden zunehmend an Bedeutung gewinnt, wird immer häufiger zwischen LOG = Level of Geometrie (dt.: Geometrischer Detaillierungsgrad) und LOI = Level of Information (dt.: Alphanumerischer Detaillierungsgrad) unterschieden.

Modellelement

ist die digitale Abbildung eines realen Bauelements im BIM-Modell. Weitere Informationen wie Ausprägung, Material oder Kosten können dem Modellelement hinzugefügt werden. Der Detaillierungsgrad und der Informationsgrad beschreiben Grad und Umfang der geometrischen und alphanumerischen Beschreibung des Modellelements.

Parametrische Objekte

sind Modellelemente, deren Geometrie durch Parameter (Länge, Höhe, Breite, Durchmesser, Aufschlagrichtung etc.) und deren Abhängigkeiten beschrieben wird. Änderungen an diesen Objekten können einfach durch die Eingabe von neuen Maßen durchgeführt werden.

Literatur

Bundesarchitektenkammer e. V. (2017): BIM für Architekten – Leistungsbild, Vertrag, Vergütung. www.bak.de/w/files/bak/03berufspraxis/bim/bim-bak-broschuere-web.pdf

BIMiD-Konsortium (2017): BIMiD-Leitfaden – So kann der Einstieg in BIM gelingen. Hg. v. Fraunhofer IBP. bim-cluster-rlp.de/pdf/BIMiD-Leitfaden-2018.pdf

DIN EN ISO 29481-1:2018-01. Bauwerksinformationsmodelle – Handbuch der Informationslieferungen – Teil 1: Methodik und Format.

KIT Karlsruher Institut of Technnology: FZKViewer. www.iai.kit.edu/1648.php

Maßling, N. (2018): BIM-gestützte Modellierung in der Landschaftsarchitektur – am Beispiel eines städtischen Platzes mit Autodesk Revit. Bachelor-Thesis, Hochschule Osnabrück.

pwc (2018): Braubranche aktuell – Wachstum 2020 – Digitalisierung und BIM. www.pwc.de/de/industrielle-produktion/baubranche-aktuell-wachstum-2020-maerz-2018.pdf

Schaller, J. et al. (2017): Planungsoptimierung von Ingenieur- und Umweltplanung durch Integration von BIM und GIS. Leifaden Geodäsie und BIM. Runder Tisch GIS e. V., S.128-130.

Schiller, K., Faschingbauer, G. (2016): Die BIM-Anwendung der DIN SPEC 91400. 1. Aufl., Herausgeber DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Beuth Verlag GmbH.

Wozniak, M. (2018): Anforderungen an den BIM Referenzprozess von Freianlagen. Master-Thesis, Hochschule Osnabrück.

Dieser Artikel erschien in der Ausgabe NEUE LANDSCHAFT 12/2018 .

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